具有防腐蚀集电器的微电池电化学装置和组件及其制造方法制造方法及图纸

一种纤维状微电池结构，包括：（１）内电极，（２）与该内电极接触的中空纤维状薄膜分隔器，（３）包含在该中空纤维状薄膜分隔器中的电解液；以及（４）外电极，其中，至少内电极和外电极之一包括金属包层复合物，其具有由固相结合而结合在一起的两层或更多层金属层。优选地，这种纤维状微电池结构是燃料电池，其包括内集电器，内催化剂层，与该内催化剂层和内集电器接触的中空纤维状薄膜分隔器，包含在该中空纤维状薄膜分隔器中的电解液，外催化剂层，以及外集电器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有防腐蚀集电器的微电池电化学装置和组件及其制造方法
本专利技术涉及微电池电化学装置和组件及其制造方法。特别是，本专利技术涉及包含高导电率、高耐腐蚀和高机械耐久性以及耐剥落和耐磨损的集电器的微电池电化学装置和组件。
技术介绍
诸如蓄电池和燃料电池的电化学电池，具有以这样的方式分开的正、负电极，以避免内部短路，同时该电极与电解液介质接触，该电解液介质与该电极发生化学反应以产生电子流，因此当该电路连接于外部负载时提供电能。电化学能领域近来的创新是研制微电池——用于蓄电池、燃料电池和其他电化学装置用途的小型电化学电池。微电池技术公开在Ray R.Eshraghi的美国专利第5,916,514号、5,928,808号、5,989,300号、6,004,691号、6,338,913号以及6,399,232号中。在这些专利中所描述的微电池结构包括电化学电池组分与其相关的中空的纤维结构。上述Eshraghi的专利描述了微纤维形式的电化学电池，其包含第一集电器、薄膜隔离器、电解液介质以及第二集电器。特别是，Eshraghi的专利公开了中空纤维状薄膜隔离器，其充满电解液介质并具有设置在其内部的第一金属纤维(内集电器)和设置在这种中空纤维状薄膜分隔器的外表面的第二金属纤维(外集电器)，其中，该第一和第二金属纤维构成该微电池的正、负集电器。如上所述的多个纤维状微电池然后可以串联和/或并联在一起，-->并包装/包扎成整体的微电池组件，其特征在于高电流密度和高电压输出。上述专利中描述的Eshraghi微电池的正、负集电器与可起反应的电解液介质接触。因此它们经受严厉的化学环境。由于微电池的集电器由非常细的金属纤维制造，它们特别容易被腐蚀，这可能导致在单个微电池内或在串联或并联的微电池之间的断路，最终使微电池组件的使用寿命变短和/或减小微电池组件的能量密度。Eshraghi的美国专利第6,338,913号和6,399,232号提出若干种控制腐蚀的结构，用于增强微电池装置或微电池结构中的集电器的耐腐蚀性。例如，集电器可以用石墨材料制造，可选地，集电器可以由用含碳的耐腐蚀涂层涂覆的铝、铜制造。虽然石墨或涂碳的集电器与常规的金属集电器相比具有明显增强的耐腐蚀性，但是它们在机械性能上不是耐用的(即，石墨集电器容易破裂，而碳涂层容易剥落，将下面的金属芯暴露于腐蚀的电解液)，这将最终导致在微电池内或微电池之间的断路。因此，本领域需要继续发现并利用改进的材料，制造这种微电池结构中的高耐腐蚀、高导电率和高机械强度的集电器，并且因此，本专利技术的目的是提供微电池结构或微电池组件，其包含由耐腐蚀材料制造的集电器，用于大大地延长这种微电池结构或微电池组件的使用寿命并增强其可靠性。
技术实现思路
一方面本专利技术涉及纤维状微电池结构，包括：内电极，与该内电极接触的中空纤维状薄膜分隔器，包含在该中空纤维状薄膜分隔器中的电解液，以及外电极，-->其中，至少内电极和外电极之一包括金属包层复合物，其具有通过固相结合而结合在一起的两层或更多层金属层。本专利技术的另一方面涉及电化学电池装置，其包括如上所述的多个纤维状微电池结构。这种电化学电池装置可以或者是燃料电池，或者是蓄电池单位。优选，这种电化学电池装置是燃料电池。本专利技术的又一方面涉及燃料电池，其包括微电池纤维状元件，其中，每个微电池纤维状元件包括内集电器、内催化剂层、与该内催化剂层和内集电器接触的中空纤维状薄膜分隔器、包含在该中空纤维状薄膜分隔器中的电解液、外催化剂层以及外集电器，其中，至少该内集电器和外集电器之一包括金属包层复合物，其具有通过固相结合而结合在一起的两层或更多层金属层。本专利技术的其他方面、特征和优点从随后披露的内容和权利要求中将会更加清楚。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例由两层金属包层复合物构成的微电池集电器的剖视图。图2是根据本专利技术另一个实施例由三层金属包层复合物构成的微电池集电器的剖视图。图3是由金属棒料构成的图2的三层金属包层集电器的示意图。图4是根据本专利技术一个实施例的纤维状微电池结构的剖视图，具有由两层金属包层复合物构成的内集电器和外集电器。图5A-C是由各种形状的金属包层复合物构成的集电器的剖视图。具体实施方式Eshraghi的美国专利第5,916,514号、5,928,808号、5,989,300号、-->6,004,691号、6,338,913号以及6,399,232号公开的内容作为各自的整体并为了所有的目的通过参考结合于此。如这里所用的，术语“微电池”是指电化学电池能产生或转换结构，包括具有包含在其中的电解液的薄膜分隔器。该电解液材料可以是均匀地分布在该薄膜分隔器中的固态离子交换材料，或固定在该薄膜分隔器的微孔中的固态离子交换微粒；可选地，该薄膜分隔器本身可以由起电解液介质作用的离子交换材料构成。该薄膜分隔器与导电的纤维接触，该导电的纤维又与电催化剂接触或用电催化剂涂覆，并且形成该电化学电池的正、负电极。虽然在此以后的描述主要是真对本专利技术的燃料电池实施例，但是该描述可以类似地应用于符合本专利技术的相应的蓄电池单位和其他形式的电化学电池装置。蓄电池单位当然不同于燃料电池，其不同之处在于，在蓄电池中起电化学反应的物质出现并存储在该电池内，相反，在燃料电池中，当希望进行化学反应时，电化学反应是在该结构外部完成的。因此，当在蓄电池单位中使用时，该微电池不需要纤维中间的腔，从而相应地简化了用于蓄电池单位应用中在微型组件装置中的纤维束。因此用于蓄电池单位应用中的微电池与用于燃料电池中的微电池在结构和运行方面有所不同。在本专利技术的具体实施例中，该微电池包括内电极、与该内电极接触的薄膜分隔器、包含在该薄膜分隔器中的电解液，以及外电极，其中至少该内电极和外电极的其中之一包括金属包层复合物，该金属包层复合物具有由第一金属或金属合金构成的金属芯，以及由第二金属或金属合金构成的金属外层，其中该金属芯和金属外层由固相结合相互结合在其分界表面处。-->在常规的燃料电池中，由于电化学反应物质和电解液的高度腐蚀性，通常避免使用裸露的固体金属材料。在这种常规的燃料电池中用于构成集电器的材料通常限制在石墨类材料。但是，石墨材料的机械强度和可成形性都很差，并且不适合构成微电池结构中的微纤维状的集电器，其中，这种微纤维状集电器的外径通常在约100μm到约10mm的范围内。Eshraghi的美国专利第6,338,913号和6,399,232号提出用耐腐蚀材料，例如含碳材料或非晶质金属，涂覆铝或钛集电器。但是这种涂覆缺少均匀性并在一些区域留下容易腐蚀的细微孔隙。而且，这种涂覆仅仅是通过范德文力松散地结合于下面的集电器元件，并且在严重的腐蚀条件下和表征燃料电池运行特性的热循环过程中具有容易剥落和脱层的趋势。尽管在纤维状微电池结构中避免使用裸露的金属材料是常规的明智，但是本专利技术采用金属包层复合物形成上述的微电池装置或结构中的电极的纤维状集电器，与上述石墨或涂碳的集电器相比其具有良好的耐腐蚀性和高机械强度和可成形性。因此，在本专利技术的金属包层复合物中，使用固体金属材料而没有任何碳涂层或非晶质金属涂层，实施一种为本领域的常规的明智和方法所禁忌的方法，但是使用这种金属包层复合物在耐腐蚀、导电率、机械强度和可靠性方面获得令人吃惊的满意结果是常规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维状微电池结构，包括：内电极，与该内电极接触的中空纤维状薄膜分隔器，包含在该中空纤维状薄膜分隔器中的电解液，以及外电极，其中，至少内电极和外电极之一包括金属包层复合物，其具有通过固相结合而结合在 一起的两层或更多层金属层。

【技术特征摘要】
US 2002-7-2 10/188,4711.一种纤维状微电池结构，包括：内电极，与该内电极接触的中空纤维状薄膜分隔器，包含在该中空纤维状薄膜分隔器中的电解液，以及外电极，其中，至少内电极和外电极之一包括金属包层复合物，其具有通过固相结合而结合在一起的两层或更多层金属层。2.根据权利要求1的纤维状微电池结构，其中所述的金属包层复合物包括金属芯和金属外层。3.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括选自下面一组的第一金属或合金：铜、铝、黄铜、青铜、镍、银及其混合物或合金。4.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铜或铜合金。5.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铝或铝合金。6.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属外层包括选自下面一组的第二金属或金属合金：钛、铌、镍、锆、金、钽、铂、钯、银及其混合物和合金。7.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属外层包括选自下面一组的第二金属或金属合金：钛、铌、镍、金、铂及其混合物和合金。-->8.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属外层包括钛或钛合金。9.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铜或铜合金，而其中所述金属外层包括镍或镍合金。10.根据权利要求2的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铜或铜合金，而其中所述金属外层包括钛或钛合金。11.根据权利要求1的纤维状微电池结构，其中所述的金属包层复合物包括金属芯、中间金属层和金属外层。12.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括选自下面一组的第一金属或金属合金：铜、铝、黄铜、青铜、镍、银及其混合物或合金。13.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铜或铜合金。14.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铝或铝合金。15.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的中间金属层包括选自下面一组的第二金属或金属合金：钛、铌、镍、锆、金、钽、铂、钯、银及其混合物和合金。16.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的中间金属层包括选自下面一组的第二金属或金属合金：钛、铌、镍及其混合物和合金。-->17.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的中间金属层包括钛或钛合金。18.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属外层包括选自下面一组的第三金属或金属合金：钛、铌、镍、锆、金、钽、铂、钯、银及其混合物和合金。19.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属外层包括选自下面一组的第三金属或金属合金：铂、金、铌、钽、锆及其混合物和合金。20.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属外层包括铌或铌合金。21.根据权利要求11的纤维状微电池结构，其中所述的金属芯包括铜或铜合金，其中所述的中间金属层包括钛或钛合金，而其中所述金属外层包括铌或铌合金。22.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷R埃什拉吉，
申请(专利权)人：微电池公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]